De nos jours, les systèmes de communications supportent un nombre croissant de normes radios dont les exigences en termes de bande et de vitesse sont diverses. Ceci rend la conception d'un convertisseur analogique numérique (CAN) unique convenant à toutes ces normes, une tache très problématique. La reconfigurabilité est une solution à ce problème, où la résolution serait échangée contre la bande passante. Les CANs Sigma Delta offrent un moyen facile d'effectuer cet échange en ajustant leur rapport de sur-échantillonnage. Cependant, ils ne sont adaptés pour les applications larges bandes. La parallélisation des CANs Sigma Delta surmonte ce problème et en plus augmente la reconfigurabilité du CAN. Dans ce travail, la conception d'un CAN Sigma Delta reconfigurable et parallèle est présentée. Sa reconfigurabilité permet de faire des échanges entre bande de conversion et résolution ainsi qu'entre consommation de puissance et bande de conversion. Ceci est possible grâce à un contrôle sur le nombre actifs de canaux, sur le rapport de sur-échantillonnage, sur la fréquence d'opération et sur l'ordre des modulateurs. Une nouvelle technique d'interpolation est également proposée. Elle permet de réduire les tailles des capacités et les contraintes sur le filtre anti-repliement. Un prototype du CAN a été fabriquée dans une technologie CMOS 65 nm. Il a été conçu pour satisfaire les exigences des normes GSM, UMTS, EDGE, DVB-T, WiFi et WiMax. Pour le scénario GSM/EDGE, le CAN a une résolution de 13 bits pour une consommation de 1.74 mW. Pour le reste des scénarios, les performances visées ne sont pas atteintes cependant la fonctionnalité a été testée avec succès.

Les futures grandes expériences de l'exploration des lois fondamentales de la Nature (e.g. ILC) exigent des détecteurs de vertex de résolution spatiale et de granularité poussées, très minces et radio-tolérants, qui sont hors de portée des technologies de détections actuelles. Ce constat est à l'origine du développement des Capteurs CMOS à Pixels Actifs. La résolution spatiale du capteur est une performance clé. Elle résulte de la répartition des charges libérées par une particule chargée traversant, et ionisant, le volume sensible. L'encodage de la charge collectée par chaque pixel repose sur un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) intégrable à même le substrat abritant le volume sensible du capteur. Ce CAN doit être précis, compact, rapide et de faible consommation. L'objectif de cette thèse a donc été de concevoir un CAN répondant à ces exigences conflictuelles. D'abord, plusieurs architectures d'un échantillonneur-bloqueur-amplificateur ont été étudiées pour conditionner le faible signal des pixels. Une architecture originale de cet étage a été conçue. L'architecture pipeline du CAN a été choisie. La configuration de base de 1,5 bit/étage a été implémentée pour tester la validité du concept, puisqu'elle permet de minimiser les contraintes sur chaque étage. Nous avons optimisé l'architecture en introduisant le concept du double échantillonnage dans un premier temps sur une configuration de 2,5 bits/étage, ceci a permis de minimiser les dimensions et la puissance. Le double échantillonnage combiné avec la résolution de 1,5 bit/étage a constitué une seconde amélioration. Une nouvelle architecture du CAN adapté à la séquence des commandes des pixels a été proposée.

Grâce à son accessibilité, sa polyvalence et sa sécurité, l'échocardiographie est devenue la technique d'imagerie la plus utilisée pour évaluer la fonction cardiaque. Au vu du succès de l'échographie ultrarapide par ondes planes des techniques similaires pour augmenter la résolution temporelle en échocardiographie ont été mise en oeuvre. L’augmentation de la résolution temporelle de l’échographie cardiaque au-delà des valeurs actuellement atteignables (~ 60 à 80 images par secondes), pourrait être utilisé pour améliorer d’autres caractéristiques de l'échocardiographie, comme par exemple élargir la plage de vitesses détectables en imagerie Doppler couleur limitées par la valeur de Nyquist. Nous avons étudié l'échocardiographie ultrarapide en utilisant des fronts d’ondes ultrasonores divergentes. La résolution temporelle atteinte par la méthode d'ondes divergentes a permis d’améliorer les capacités des modes d’échocardiographie en mode B et en Doppler couleur. La résolution temporelle de la méthode mode B a été augmentée jusqu'à 633 images par secondes, tout en gardant une qualité d'image comparable à celle de la méthode d’échocardiographie conventionnelle. La vitesse de Nyquist de la méthode Doppler couleur a été multipliée jusqu'à 6 fois au delà de la limite conventionnelle en utilisant une technique inspirée de l’imagerie radar; l’implémentation de cette méthode n’aurait pas été possible sans l’utilisation de fronts d’ondes divergentes. Les performances avantageuses de la méthode d'échocardiographie ultrarapide sont supportées par plusieurs résultats in vitro et in vivo inclus dans ce manuscrit. / Because of its low cost, versatility and safety, echocardiography has become the most common imaging technique to assess the cardiac function. The recent success of ultrafast ultrasound plane wave imaging has prompted the implementation of similar approaches to enhance the echocardiography temporal resolution. The ability to enhance the echocardiography frame rate beyond conventional values (~60 to 80 fps) would positively impact other echocardiography features, e.g. broaden the color Doppler unambiguous velocity range. We investigated the ultrafast echocardiography imaging approach using ultrasound diverging waves. The high frame rate offered by the diverging wave method was used to enhance the capabilities of both B-mode and color Doppler echocardiography. The B-mode temporal resolution was increased to 633 fps whilst the image quality was kept almost unchanged with reference to the conventional echocardiography technique. The color Doppler Nyquist velocity range was extended to up to 6 times the conventional limit using a weather radar imaging approach; such an approach could not have been implemented without using the ultrafast diverging wave imaging technique. The advantageous performance of the ultrafast diverging wave echocardiography approach is supported by multiple in vitro and in vivo results included in this manuscript.

Les récentes avancées technologiques des microphones de type microsystème électromécanique (MEMS) leurs permettent une utilisation sur une large gamme d’amplitudes sonores. Leur niveau de bruit ayant baissé, il devient possible de capter des sons provenant d’une distance plus lointaine, tandis que l’augmentation de leur pression acoustique maximale leur permet de ne pas saturer dans un environnement très bruyant de type concert ou évènement sportif. Ainsi le système électronique de conversion analogique-numérique connecté au microphone devient l’élément limitant les performances du système d’acquisition acoustique. Un besoin de nouvelles architectures de conversion analogique-numérique ayant une plage dynamique augmentée se fait donc ressentir. Par ailleurs, ces microphones étant de plus en plus utilisés dans des systèmes fonctionnant sur batterie, la contrainte de limitation de la consommation devient importante.Dans la bande de fréquences audio, les convertisseurs analogiques-numériques de type sigma-delta sont les plus aptes à obtenir une grande résolution combinée à une faible consommation. Ils sont divisés en deux grandes familles: ceux à temps discret utilisant principalement des circuits à capacités commutées, et ceux à temps continu utilisant des circuits classiques. Cette thèse se concentre sur l’étude et la conception de chacun des deux types de convertisseurs sigma delta, en insistant sur la faible consommation, le faible coût de production (surface occupée) et la robustesse du circuit, cela en vue d’une production de masse pour équipements portables.La conception d’un convertisseur analogique numérique de type sigma-delta à temps discret a été réalisé, ce dernier atteignant un rapport signal sur bruit de 100 décibels sur une bande de 24kHz, pour une puissance consommée de seulement 480μW. Pour limiter la consommation, de nouveaux amplificateurs à base d’inverseurs sont utilisés, et dont la robustesse contre les variations du procédé de fabrication ou de la température a été améliorée. Les spécifications ont été définies grâce au développement d’un modèle de haut-niveau précis, ce qui permet d’éviter le surdimensionnement tout en atteignant les performances voulues. Enfin, un grand ratio de suréchantillonnage a été choisi afin de réduire l’espace utilisé par les capacités commutées, minimisant le coût de fabrication.Après une étude théorique de l’équivalence entre les modulateurs sigma-delta à temps discret et à temps continu, ainsi que des spécificités propres aux modulateurs à temps continu, une réalisation de ces derniers a été effectuée. Celui-ci atteint un rapport signal sur bruit de 95 décibels sur une bande de fréquence de 24kHz, tout en consommant 142μW. Pour réduire la consommation ainsi que l’espace utilisé, un filtre de boucle du second-ordre a été réalisé avec un seul amplificateur, et le quantificateur fait aussi office d’intégrateur grâce à l’utilisation d’une structure d’oscillateurs contrôlés en tension. Ce quantificateur à base d’oscillateurs est réalisé par des cellules numériques, réduisant la consommation et l’espace utilisé, mais est hautement non-linéaire. Cette non-linéarité a été prise en compte par des choix architecturaux afin de ne pas réduire les performances finales du modulateur. / The recent technological advances in microelectromechanical system (MEMS) microphones allow them to be used on a large sound amplitude range. Due to their lower noise level, it becomes possible to capture sound from a faraway distance, while their increased acoustic overload point gives them the ability to capture sound without saturation in a loud environment like a concert or a sport event. Thus, the electronic analog / digital conversion system connected to the microphone becomes the limiting element of the acoustic acquisition system performance. There is then a need for a new analog / digital conversion architecture which has an increased dynamic range. Furthermore, since more and more of these microphones are used in battery-powered devices, the power consumption limitation constraint becomes of high importance.In the audio frequency band, the sigma-delta analog / digital converters are the ones most able to provide a high dynamic range combined to a limited power consumption. They are split in two families: the discrete-time ones using switched-capacitors circuits and the continuous-time ones using more classical structures. This thesis concentrates on the study and the design of both of these two types of sigma-delta converters, with an emphasis on the low-power consumption, the low production cost (area occupied) and the circuit robustness, in sight of a mass production for portable devices.A discrete-time sigma-delta modulator design has been made, the latter reaching a signal to noise ratio of 100dB on a 24kHz frequency bandwidth, for a power consumption of only 480μW. To limit the power consumption, new inverter-based amplifiers are used, with an improved robustness against the variations of the fabrication process or the temperature. Amplifier specifications are obtained thanks to an accurate high-level model developed, which allows to avoid over-design while ensuring that the wanted performances are reached. Finally, a large oversampling ratio has been used to reduce the switched-capacitors area, lowering the modulator cost.After a theoretical study of the equivalence between discrete-time and continuous-time modulators, and of continuous-time modulators specificities, a design of the latter has been made too. It reaches a signal to noise ratio of 95dB on a 24kHz bandwidth, while consuming 142μW. To reduce the power consumption and the occupied area, a second-order loop filter is implemented using a single amplifier, and the quantizer uses a VCO-based structure that provides inherently an integrating stage. The VCO-based quantizer is made using digital cells, lowering the consumption and area, but is highly non-linear. This non-linearity has been handled by architectural choices to not influence the final modulator performances.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire s'inscrit dans l'objectif général d'étudier la faisabilité de filtres monolithiques radiofréquences (RF) à capacités commutées pour la radiocommunication mobile, et de pouvoir procéder à l'analyse et à la conception de ces filtres en technologie standard BiCMOS 0,35 μm. L'analyse comportementale de ces filtres a nécessité la mise au point d'un algorithme original basé sur le formalisme des matrices de conversion, dont le principe général consiste à effectuer une linéarisation des éléments non-linéaires autour du point de fonctionnement grand signal. Cette méthode d'analyse, spécialement utilisée pour l'analyse du bruit de phase des oscillateurs, semble à ce jour parmi les plus rigoureuses et les plus efficaces en terme de temps de calcul pour l'analyse de ce type de filtres. Traditionnellement, à basse fréquence la commande de ces filtres est réalisée à l'aide d'un registre à décalage. Cependant, cette technique n'est pas envisageable en RF. Une solution originale qui consiste à commander le filtre à partir d'un oscillateur en anneau contrôlé en tension et de portes logiques " ou exclusif " a été proposée. Grâce à cette solution, il a été montré que l'association d'un tel circuit de commande appliqué à ce type de filtre présente des avantages importants et par conséquent devrait le rendre beaucoup plus attractif pour les concepteurs. Pour répondre aux spécifications de la radiocommunication mobile, la structure classique du filtre a été optimisée pour réduire le facteur du bruit et augmenter la dynamique, ainsi une nouvelle architecture (filtre LC à capacités commutées) a été proposée. Des simulations ont été réalisées sur l'ensemble du circuit afin de prévoir les dégradations éventuelles qui peuvent être générées par ces circuits lors d'une transmission numérique (ex. p/4-DQPSK) et d'étudier ainsi l'impact du bruit de phase (gigue temporelle) généré par le circuit de commande sur le comportement du filtre. Parallèlement, un prototype composé d'un filtre LC à capacités commutées et de son circuit de commande a été fabriqué en technologie standard BiCMOS 0,35 mm, sur une puce de taille de 1,1 x 1,75 mm². Ce premier circuit a permis de prouver la faisabilité de cette architecture dans le domaine des RF. Les résultats expérimentaux confirment les simulations et sont susceptibles de rendre cette architecture originale attractive pour des applications radiofréquences.